Metodi di Simulazione FEM dei processi di Friction Stir Welding

L’obiettivo del seguente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con il Politecnico di Torino ed Eurodies Italia S.r.l., è stato studiare una tecnologia innovativa di giunzione di saldatura. La richiesta sempre più crescente di componenti che rispondessero a determinate caratteristiche in termini di proprietà meccaniche, geometriche, unite alla possibilità di ottenere componenti leggeri realizzati con materiali che non sono saldabili con tecnologie convenzionali alla saldatura ha portato allo sviluppo di una nuova tecnologia. In particolare, si tratta del processo di Friction Stir Welding, un processo di giunzione allo stato solido che sfrutta il calore generato per attrito per saldare i componenti interessati, senza l’impiego di materiale d’apporto e senza portare a fusione il metallo base. Anche se concettualmente il processo in questione è facile da comprendere, risulta ad ‘oggi complicato etichettare tutti i fenomeni che lo caratterizzano. Negli anni sono stati svolti studi da diversi ricercatori, in primis su giunti realizzati in alluminio, allo scopo di acquisire sempre più informazioni che permettessero di rispondere a tali domande. Inoltre, l’utilizzo sempre più crescente di questa tecnologia in diversi settori, come per esempio quello aerospaziale, aeronautico, automotive, etc., ha portato allo sviluppo di varianti di questo processo. Riferendoci al settore automotive, il costruttore Mazda nel 2003 ha sviluppato il processo denominato Friction Stir Spot Welding, impiegandolo nella realizzazione delle portiere posteriori in alluminio nel modello RX-8. Il suo impiego ebbe molto successo e questo ha portato l’applicazione di tale processo per saldare lamiere in acciaio alto resistenziali. Sono stati svolti diversi studi e prove sperimentali in merito. Indipendentemente dal tipo di materiale impiegato per la giunzione, risulta comprensibile che l’utilizzo delle sole prove sperimentali per riuscire a caratterizzare il processo e i fenomeni ad esso associati, è molto dispendioso in termini di tempo, ma anche in termini di costi. Basti pensare che, per ottimizzare il processo, bisogna comprendere appieno l’influenza devi vari parametri che lo caratterizzano. Grazie al continuo progresso tecnologico ad oggi è possibile ovviare a questo problema grazie l’impiego della tecnologia della simulazione, che permette, utilizzando diversi metodi, di simulare diversi processi tecnologici, tra cui il processo di Friction Stir Spot Welding. Il seguente lavoro di tesi, una volta compresi da un punto di vista teorico tutti i fenomeni che caratterizzano il processo, le equazioni che li descrivono, i vantaggi e gli svantaggi derivanti dal suo impiego, le applicazioni dello stesso, si è focalizzato proprio nel realizzare un modello che replicasse per quanto possibile la fisica reale del processo. In particolare, è stato realizzato un modello in ambiente Abaqus utilizzando il metodo FEM. Per la realizzazione del modello è stato impiegato l’approccio Euleriano-Lagrangiano-Arbitrario e la scelta è ricaduta su questo approccio perché permette di simulare il processo fornendo dei risultati accurati, una volta effettuata la calibrazione/validazione del modello. A sostegno di tutto questo sono state svolte presso Eurodies Italia S.r.l. delle prove sperimentali, dove sono stati giuntati delle lamiere in configurazione Lap in acciaio DP590 utilizzando una macchina a controllo numerico a 2 assi, allo scopo di poter poi effettuare un confronto tra i risultati.